盾构隧道近距下穿既有地铁车站沉降控制措施研究

许有俊,孟贞,李志成,银英姿,葛绍英



盾构隧道近距下穿既有地铁车站沉降控制措施研究

许有俊,孟贞*,李志成,银英姿,葛绍英

内蒙古科技大学 土木工程学院, 内蒙古 包头 014010

以某新建盾构隧道近距离下穿某既有地铁车站为工程背景，运用MIDAS GTS NX软件对施工过程进行模拟。结合实测数据，分析了在既有车站底板下方布置四排预埋桩基与不布置预埋桩基两种情况下盾构施工对既有车站沉降变形的影响。采用预埋桩基措施进行近距离下穿盾构施工可以有效控制既有车站的变形，满足其沉降控制要求。在此基础上分析了预埋桩基的变形机制、桩基不同设计参数对既有车站变形控制的影响。结果表明，在进行预埋桩基优化设计时，建议重点考虑外侧桩基的承载能力设计，同时在桩基设计参数选取上，通过试算找到每排桩基的最佳长径比和距径比并适当地缩小外桩距、扩大内桩距来进一步减小既有车站的沉降变形，且为此后类似工程桩基设计提供初步参考依据。

盾构隧道; 预埋桩基; 近距离下穿; 数值模拟; 沉降控制

大规模轨道交通建设导致新旧结构的交叉穿越难度及风险越来越大，换乘车站空间结构愈加复杂。在新建盾构隧道近距离下穿既有地铁车站时，如果设计或施工不当，将会使邻近既有线结构产生附加内力和变形，直接影响地铁运营安全及周边环境的安全[1-3]。为将既有地铁车站沉降变形控制在安全范围内，近年来出现了一种在既有地铁车站结构底板施工前预先设置预埋桩基的新型地下结构，当盾构隧道下穿这种设有预埋桩基的既有地铁车站时，既有车站与预埋桩基形成稳定可靠的传力体系，将盾构施工扰动引起的附加荷载通过桩基传至深部土层，大大减少既有车站结构的沉降变形。但是，对这种预埋桩基主动变形控制技术的工程案例与相关理论研究缺乏，主要是关于盾构隧道下穿地下管线、桥梁与地面建筑桩基、既有隧道等工程案例的研究[4-8]，尤其是既有地铁车站结构的沉降变形演化机制、既有桩基的变形机理以及不同的桩基设计参数对变形控制效果的影响等尚不清楚，有待进一步的研究。

本文以某新建盾构隧道超近距下穿既有地铁车站为工程背景，采用数值模拟、理论分析等方法， 对盾构隧道下穿既有地铁车站底板并结合预埋桩基这种新型地下结构的变形机理与控制方法开展研究，揭示盾构隧道下穿既有地铁车站结构变形机理及不同桩基设计参数条件下既有结构的变形规律。

1 工程概况

某新建盾构隧道、既有地铁车站和预埋桩基几何尺寸及位置关系（图1）。车站主体结构采用二层三跨矩形框架结构，车站总长268.7 m，标准段宽24.5 m（15 m岛式站台），高14.85 m。结构标准段覆土3.37 m，底板埋深18.22 m。围护桩桩径为1 m，桩长为22 m，每根桩净距为0.6 m。既有车站基坑开挖后，在设计位置打入四排预埋桩基，每排7根，桩径1 m，桩长12 m，采用C40钢筋混凝土，并通过顶部1 m×1 m矩形截面的桩顶梁连接，为后期施工的新建盾构隧道提供预留条件。

新建盾构隧道近似正交下穿本站，平行穿越既有预埋桩基，该新建隧道直径为6 m，下穿段隧道拱顶外缘与既有地铁车站底板净距为1.515 m，拟定管片砼采用C60，厚度为0.3 m。

图 1 新建盾构隧道与既有地铁车站位置关系图/mm

2 数值仿真模拟

2.1 计算模型的建立

使用MIDAS GTS NX有限元分析软件建立“土-结构”相互作用的数值模型，如图2所示。根据各结构实际尺寸、材料、相互位置关系等，建立计算模型。土体、既有地铁车站及预埋桩基采用实体单元模拟；土层采用Mohr—Coulomb破坏准则，混凝土结构材料采用弹性本构模型。

根据新建盾构隧道的开挖影响范围，同时应使模型网格划分效果较优，且要尽可能考虑消除边界效应带来的影响，模型底边界应取到自新建隧道底部向下3倍开挖宽度、上边界取至地表，即整个模型尺寸选取为：长×宽×高=81.3 m×60 m×46 m。模型上部地表设为自由边界，前、后、左、右四个边界面采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。

为了准确得到新建隧道开挖对既有车站的影响规律，初始状态分析中激活既有结构材料属性，施加荷载，保留计算模型应力场，清零位移场，然后进行每步盾构施工。

图 2 数字计算模型

2.2 各地层及结构计算参数选取

根据工程地质勘察报告，将一定深度范围内土层性质及物理力学参数相似的土体进行合并，各土层取值参数见表1。各结构计算参数见表2。计算模型施加荷载见表3。

表1 场区地层参数

表2 结构计算参数

表3 主要计算荷载

2.3 盾构推力模拟

（1）盾构机所受压力计算

盾构机在土层中所受压力[9]如图3所示。

图 3 盾构机受力图示

盾构机顶部的均布压力：P=·+0(1)

盾构机底部的均布压力：01=P+/(2)

盾构机拱顶处的侧向水土压力：1=·P(3)

盾构机底部的侧向水土压力：2=（P+·）(4)

= 1-sin(5)

式中：为水平侧压力系数；为所在土层内摩擦角；为覆土厚度和既有结构厚度折算之和；为土容重和既有结构自重折算之和；为盾构机重；为盾构机外径；为盾构机长度；0为地面超载、既有地铁车站内设备荷载、人群荷载等之和。

（2）盾构推力计算

盾构推力主要由以下五部分组成：=1+2+3+4+5(6)

盾构外壳与土体之间的摩擦力：1=[(P+01+1+2)] / 4 (7)

刀盘上的水平推力引起的阻力：2=/ 4（2·P） (8)

P=（+/2） (9)

切土所需要的推力：3=/ 4（2·） (10)

盾尾与管片之间的摩阻力：4=W·μ(11)

后方台车的阻力：5=G·sin+μG·cos(12)

经验公式：=·2(13)

式中：为土与钢间摩擦系数，计算时取0.3；P为水平土压力；为所在土层黏聚力；c为两环管片重量；μ为土与管片间摩擦系数，计算时取0.3；G为盾尾台车重量；为坡度；μ为滚动摩阻，计算时取0.05；为经验系数，取500~1200。

表4 计算盾构推力各参数表

根据实际工程情况，综合各计算参数，见表4。再参照公式（1）~（12），求出总推力为13718.4 kN。由于盾构施工过程中经常需要纠偏、转向，因此盾构实际推力要比计算值大，按照经验，盾构实际推力应为计算值的1.5倍，即20577.6 kN。再根据参考文献[10]中经验公式（13）进行验算，推导的模拟盾构推力值满足要求。

2.4 模拟工况的选取

为了探究盾构隧道穿越区不设预埋桩基与设置预埋桩基两种情况下，盾构施工对既有地铁车站沉降变形影响以及周围预埋桩基变形规律。拟采用如下工况进行模拟，见表5。

表5 盾构施工工况

3 计算结果

3.1 桩基对既有结构沉降变形的影响分析

3.1.1 既有地铁车站沉降变形分析依据四组工况的模拟结果以及实测值，绘制车站底板中心纵向沉降曲线，如图4、图5所示。

图 4 无预埋桩基车站底板纵向沉降曲线

图 5 有预埋桩基车站底板纵向沉降曲线

Fig.5 Longitudinal settlement curve of station floor is provided with pre-embedded piles

由图4可知，不设预埋桩基左线穿越既有站时，车站底板（-8.0 m处）最大沉降值为16.23 mm，远远超过规定的3 mm沉降限值；沉降变形影响范围广，在（-16 m，-1 m）范围内车站底板沉降值均超过沉降限值。继续盾构施工，当右线穿越既有站时，左线上方车站底板继续沉降，沉降值最终达17.80 mm，同时，右线上方车站底板（8.0 m处）的最大沉降值达到19.25 mm；沉降变形影响范围继续扩大，在（-17 m，17 m）范围内车站底板沉降值超过沉降限值。可见在不设预埋桩基情况下，后期隧道施工使既有站产生过大的沉降变形，且隧道施工在车站纵向的影响范围广，在很长一段范围内车站的沉降变形都不能满足要求。

由图5可知，既有站沿纵断面监测点实测值与计算值的最终变形规律及其累计沉降规律均大体保持一致，满足3 mm的沉降控制标准，而实测值略大，主要是在实际施工中出现的各种不确定性因素造成的，但模拟值与实测值之间的误差较小，在可预见范围内。因此说明模型各计算参数取值和此次盾构推力的推导计算合理可行，验证了数值模拟结果的准确性，可为今后同类工程设计提供类比依据。

布设预埋桩基后数值模拟左线穿越既有站时，车站底板（-8.0 m处）产生的最大沉降值为2.37 mm，满足沉降3 mm控制标准且小于沉降限值的85%；沉降变形影响范围小，几乎仅存在于左线两侧预埋桩基（-14.5 m，-2.5 m）内。继续盾构施工，当右线穿越既有站时，左线上方车站底板沉降值最终达2.38 mm，同时，右线上方车站底板（8.0 m处）的沉降值最终为2.42 mm，左右侧沉降变形几乎成对称布置；沉降变形影响范围几乎仅存在于（-14 m，14 m）之间，且在（-2.5 m，2.5 m）内车站底板沉降变形几乎为零。因此，设置预埋桩基后，隧道施工引起既有站的沉降变形范围主要限于预埋桩基之间。在预埋桩基以外的范围内车站底板的沉降变形几乎趋于零，说明预埋桩基具有阻隔沉降变形纵向扩展的作用。

综上所述，预埋桩基能够很大程度地减小新建盾构隧道施工对既有站的影响，通过设置预埋桩基控制车站沉降变形是合理可行的。

3.1.2 预埋桩基变形演化规律分析（1）桩顶沉降对比分析

根据新建盾构隧道左、右线先后穿越预埋桩基施工模拟结果，绘制各预埋桩基桩顶沉降变形演化曲线，以每排①、⑤号桩为例，如图6所示。

图 6 预埋桩基沉降变形演化曲线

由图6（a）可知，当左线隧道盾构施工至第2步（每步3 m）时，第一排和第二排的①号桩桩顶开始沉降，至第9步时，沉降趋于稳定。第一排的①号桩桩顶沉降值由最初的0.19 mm增大到0.31 mm，第二排的①号桩桩顶沉降值由0.13 mm增大到0.21 mm，而在此阶段，第三排和第四排的①号桩沉降变形几乎为零，说明第二排的①号桩阻隔了沉降变形的纵向扩展。至第22步后，进入右线施工阶段，此时，第三排和第四排的①号桩桩顶开始沉降，且左线两侧预埋桩基的桩顶沉降值增大得非常缓慢，说明第三排的①号桩也阻隔了沉降变形的纵向扩展。

由图6（b）可知，每排⑤号桩桩顶最终沉降值均要比每排①号桩桩顶最终沉降值大，且第一排和第四排的桩基桩顶最终沉降值要大于第二排和第三排桩基桩顶最终沉降值。说明在盾构过程中，每排中间桩基的桩顶最终沉降要比两侧大，外排桩基的桩顶最终沉降要比内排大。因此，在进行预埋桩基优化设计时，应着重考虑外排中间桩基的承载能力设计。

（2）侧向位移对比分析

绘制沿桩长方向预埋桩基侧向位移曲线，以第一排④号桩为例，如图7所示。

图 7 第一排④号桩侧向位移演化曲线

由图7可知，第一排④号桩水平位移随新建盾构隧道左线的开挖逐渐增大；由于盾构机推进时对地层产生挤压作用，在桩长8 m处（隧道截面中心附近），桩身侧向位移增长速度最快，最大侧向位移也出现在此处，最大值为0.09 mm；桩身位移朝向隧道洞口反方向，桩顶与桩底水平位移几乎为零。因此，建议在类似盾构隧道施工过程中，对与隧道截面中心同一位置上的近桩土体注浆加固。

3.2 桩基设计参数对车站沉降变形影响分析

通过设置四排预埋桩基后，大大减小既有地铁车站的沉降变形，使其满足规范要求，但预埋桩基设计参数的选取依据的规范较少，具有不确定性。那么通过改变桩基长径比、距径比、排布方式等，找到更为合理的预埋桩基设计参数，为以后类似工程提供桩基设计参考。

3.2.1 桩基长径比的影响选取预埋桩基长径比/=8、10、12、14、16，分别建立计算模型，当新建盾构隧道左右线先后穿越既有车站时，绘制既有站底板纵向沉降变形曲线，如图8所示。

由图8可知，随着预埋桩基长径比逐渐增大，既有地铁车站底板沉降变形逐渐减小；但随着预埋桩基长径比的增加，车站底板沉降值的减小速率逐渐减小；当长径比大于12时，再增加桩长，桩基对既有车站的沉降变形控制效果越来越不明显，且桩长越长施工越困难，因此，不建议单独使用这种优化措施来控制盾构施工对既有车站结构沉降变形的影响。

3.2.2 每排桩基距径比的影响选取每排等距预埋桩基根数为3、5、7、9、11，对应的距径比/=12、6、4、3、2.4，分别建立计算模型，当新建盾构隧道左右线先后穿越既有车站时，绘制既有站底板纵向沉降变形曲线，如图9所示。

图 8 不同长径比下车站底板纵向沉降曲线

图 9 不同距径比下车站底板纵向沉降曲线

由图9可知，随着预埋桩基距径比逐渐减小，既有站底板沉降变形逐渐减小；但随着预埋桩基距径比的减小，车站底板沉降值的减小速率逐渐减小；当距径比小于4时，再增加桩基数量，桩基对既有车站的沉降变形控制效果不明显，且每排桩数量越多，桩与桩之间的相互影响越大，桩对土体的扰动也越来越严重，说明不能仅增加每排桩基数量，应合理选择最佳距径比。

3.2.3 桩基排布方式的影响为了模拟不同排布方式下预埋桩基在新建盾构隧道施工期间对既有地铁车站沉降变形的控制作用，选取四组典型的预埋桩基排布方式。设计一：把原四排桩改为3排桩，将内侧2排桩合并为1排，桩径取2 m；设计二：缩小内桩距，将内侧2排桩相向各移动1.5 m；设计三：扩大外桩距，将外侧2排桩相背各移动1.5 m；设计四：缩小外桩距并扩大内桩距，将外侧2排桩相向各移动1.5 m、内侧2排桩相背各移动1.5 m。建模并计算，绘制既有站底板纵向沉降变形曲线，如图10所示。

图 10 不同排布方式下车站底板纵向沉降曲线

由图10可知，将预埋桩基非对称布置于新建区间盾构隧道两侧，反而会增加既有地铁车站的沉降变形，不利于后期施工；同时缩小外桩距、扩大内桩距，仍将预埋桩基对称布置于新建区间盾构隧道两侧，车站底板的沉降变形反而减小，因此，可通过适当缩小外桩距、扩大内桩距可以有效控制既有地铁车站的沉降变形。

4 结论

（1）预埋桩基能够有效补偿由新建盾构隧道施工造成的地层损失，承载既有地铁车站及其上部荷载，控制既有车站的沉降变形，为盾构施工提供有利条件，保证施工质量，降低施工风险。预埋桩基还具有阻隔既有车站沉降变形纵向扩展的作用，为双线隧道同时施工提供可能性。因此，在此类近距穿越工程中使用预埋桩基控制既有车站的沉降变形是安全可行的。

（2）新建盾构隧道穿越预埋桩基施工过程中，桩顶产生不同程度沉降变形，而桩底变形几乎为零，桩的竖向变形是由桩身弹性压缩造成；处于新建盾构隧道左、右线外排预埋桩基桩顶最终沉降值约为内排桩基的1.5倍，且每排中间桩基的桩顶最终沉降要比两侧大，则在进行桩基优化设计时，应重点考虑外排中间桩的承载能力问题。

（3）本例预埋桩基侧向位移最大值在桩长8 m附近（即隧道截面形心处），建议在后期施工中，对与隧道截面中心同一位置上的桩附近土体进行注浆加固。而对于同一排桩，还应着重考虑桩距设计问题，建议采用不等间距或等间距不同强度的预埋桩基。

（4）增大预埋桩基长径比、缩小距径比均能减小新建盾构隧道穿越施工对既有地铁车站沉降变形的影响，但效果不明显。而缩小外桩距、扩大内桩距可有效控制新建盾构隧道穿越施工过程中既有地铁车站的沉降变形，但施工会对桩侧产生不利影响。因此，在设计桩基时建议适当地缩小外桩距、扩大内桩距。

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Study on Settlement Control Measures for Shield Tunnel Closely Crossing Underneath Existing Subway Station

XU You-jun, MENG Zhen*, LI Zhi-cheng, YIN Ying-zi, GE Shao-ying

,014010,

In this paper, the construction of a shield tunnel closely crossing underneath existing subway station is numerically simulated by means of MIDAS GTS NX software.According to the measured data, the influence of shield construction on the settlement deformation of existing station was analyzed under the two conditions about arrangement of four rows of pre-embedded pile foundations and no arrangement of pre-embedded pile foundations. Pre-embedded pile foundation measures for closely underneath crossing shield construction can effectively control the deformation of existing stations and meet the requirements of the settlement control. On this basis, the deformation mechanism of the pre-embedded pile foundation and the influence of different design parameters on the existing station deformation control are analyzed. The results show, in the optimal design of pre-embedded pile foundation, the bearing capacity design of the lateral pile foundation should be mainly considered. At the same time, on the selection of design parameters of pile foundation, the optimum ratio of length to diameter and distance to diameter ratio of each row of pile foundation are found through trial calculation, the external pile spacing is reduced and the internal pile spacing is expanded appropriately to further reduce the settlement deformation of the existing stations, and it provides the preliminary reference for the design of pile foundation in similar projects.

Shield tunnel; pre-embedded pile; closely underneath crossing; numerical simulation; settlement control

U231

A

1000-2324(2018)06-1044-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.028

2017-08-01

2017-09-10

内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目(NJZY14167);内蒙古自治区自然科学基金(2013MS0717)

许有俊(1979-),男,博士,教授,硕士生导师,主要从事岩土工程、地下工程领域的教学与科研工作. E-mail:527654950@qq.com

Author for correspondence.E-mail:527654950@qq.com